Role of the hypocretin system in cocaine- and alcohol-related behaviors : evidence from hypocretin-deficient mice

RésuméL'addiction aux drogues est une maladie multifactorieile affectant toutes les strates de notre société. Cependant, la vulnérabilité à développer une addiction dépend de facteurs environnementaux, génétiques et psychosociaux. L'addiction aux drogues est décrite comme étant une maladie chronique avec un taux élevé de rechutes. Elle se caractérise par un besoin irrépressible de consommer une drogue et une augmentation progressive de la consommation en dépit des conséquences néfastes. Les mécanismes cérébraux responsables des dépendances aux drogues ne sont que partiellement élucidés, malgré une accumulation croissante d'évidences démontrant des adaptations au niveau moléculaire et cellulaire au sein des systèmes dopaminergique et glutamatergique. L'identification de nouveaux facteurs neurobiologiques responsables de la vulnérabilité aux substances d'abus est cruciale pour le développement de nouveaux traitements thérapeutiques capables d'atténuer et de soulager les symptômes liés à la dépendance aux drogues.Au cours des dernières années, de nombreuses études ont démontré qu'un nouveau circuit cérébral, le système hypocrétinergique, était impliqué dans plusieurs fonctions physiologiques, tel que l'éveil, le métabolisme énergétique, la motivation, le stress et les comportements liés aux phénomènes de récompense. Le système hypocrétinergique est composé d'environ 3000-4000 neurones issus de l'hypothalamus latéral projetant dans tout ie cerveau. Des souris transgéniques pour le gène des hypocrétines ont été générées et leur phénotype correspond à celui des animaux sauvages, excepté le fait qu'elles soient atteintes d'attaques de sommeil similaires à celles observées chez les patients narcoleptiques. H semblerait que les hypocrétines soient requises pour l'acquisition et l'expression de la dépendance aux drogues. Cependant, le mécanisme précis reste encore à être élucidé. Dans ce rapport, nous rendons compte des comportements liés aux phénomènes de récompense liés à l'alcool et à la cocaine chez les souris knock-out (KO), hétérozygotes (HET) et sauvages (WT).Nous avons, dans un premier temps, évalué l'impact d'injections répétées de cocaïne (15 mg/kg, ip) sur la sensibilisation locomotrice et sur le conditionnement place préférence. Nous avons pu observer que les souris WT, HET et KO exprimaient une sensibilisation locomotrice induite par une administration chronique de cocaïne, cependant les souris déficientes en hypocrétines démontraient une sensibilisation retardée et atténuée. Π est intéressant de mentionner que les mâles HET exprimaient une sensibilisation comportementale intermédiaire. Après normalisation des données, toutes les souris exprimaient une amplitude de sensibilisation similaire, excepté les souris mâles KO qui affichaient, le premier jour de traitement, une sensibilisation locomotrice réduite et retardée, reflétant un phénotype hypoactif plutôt qu'une altération de la réponse aux traitements chroniques de cocaïne. Contre toute attente, toutes les souris femelles exprimaient un pattern similaire de sensibilisation locomotrice à la cocaïne. Nous avons ensuite évalué l'effet d'un conditionnement comportemental à un environnement associé à des injections répétées de cocaine (15 mg / kg ip). Toutes les souris, quelque soit leur sexe ou leur génotype, ont manifesté une préférence marquée pour l'environnement apparié à la cocaïne. Après deux semaines d'abstinence à la cocaïne, les mâles et les femelles déficientes en hypocrétines n'exprimaient plus aucune préférence pour le compartiment précédemment associé à la cocaïne. Alors que les souris WT et HET maintenaient leur préférence pour le compartiment associé à la cocaïne. Pour finir, à l'aide d'un nouveau paradigme appelé IntelliCage®, nous avons pu évaluer la consommation de liquide chez les femelles WT, HET et KO. Lorsqu'il n'y avait que de l'eau disponible, nous avons observé que les femelles KO avaient tendance à moins explorer les quatre coins de la cage. Lorsque les souris étaient exposées à quatre types de solutions différentes (eau, ImM quinine ou 0.2% saccharine, alcool 8% et alcool 16%), les souris KO avaient tendance à moins consommer l'eau sucrée et les solutions alcoolisées. Cependant, après normalisation des données, aucune différence significative n'a pu être observée entre les différents génotypes, suggérant que la consommation réduite d'eau sucrée ou d'alcool peut être incombée à l'hypoactivité des souris KO.Ces résultats confirment que le comportement observé chez les souris KO serait dû à des compensations développementales, puisque la sensibilisation locomotrice et le conditionnement comportemental à la cocaïne étaient similaires aux souris HET et WT. En ce qui concerne la consommation de liquide, les souris KO avaient tendance à consommer moins d'eau sucrée et de solutions alcoolisées. Le phénotype hypoactif des souris déficientes en hypocrétine est probablement responsable de leur tendance à moins explorer leur environnement. Il reste encore à déterminer si l'expression de ce phénotype est la conséquence d'un état de vigilance amoindri ou d'une motivation diminuée à la recherche de récompense. Nos résultats suggèrent que les souris déficientes en hypocrétine affichent une motivation certaine à la recherche de récompense lorsqu'elles sont exposées à des environnements où peu d'efforts sont à fournir afin d'obtenir une récompense.AbstractDrug addiction is a multifactorial disorder affecting human beings regardless their education level, their economic status, their origin or even their gender, but the vulnerability to develop addiction depends on environmental, genetic and psychosocial dispositions. Drug addiction is defined as a chronic relapsing disorder characterized by compulsive drug seeking, with loss of control over drug intake and persistent maladaptive decision making in spite of adverse consequences. The brain mechanisms responsible for drug abuse remain partially unknown despite accumulating evidence delineating molecular and cellular adaptations within the glutamatergic and the dopaminergic systems. However, these adaptations do not fully explain the complex brain disease of drug addiction. The identification of other neurobiological factors responsible for the vulnerability to substance abuse is crucial for the development of promising therapeutic treatments able to alleviate signs of drug dependence.For the past few years, growing evidence demonstrated that a recently discovered brain circuit, the hypocretinergic system, is implicated in many physiological functions, including arousal, energy metabolism, motivation, stress and reward-related behaviors. The hypocretin system is composed of a few thousands neurons arising from the lateral hypothalamus and projecting to the entire brain. Hypocretin- deficient mice have been generated, and unexpectedly, their phenotype resembles that of wild type mice excepting sleep attacks strikingly similar to those of human narcolepsy patients. Evidence suggesting that hypocretins are required for the acquisition and the expression of drug addiction has also been reported; however the precise mechanism by which hypocretins modulate drug seeking behaviors remains a matter of debate. Here, we report alcohol and cocaine reward-related behaviors in hypocretin-deficient mice (KO), as well as heterozygous (HET) and wild type (WT) littermates.We first evaluated the impact of repeated cocaine injections (15 mg/kg, ip) on locomotor sensitization and conditioned place preference. We observed that WT, HET and KO mice exhibited behavioral sensitization following repeated cocaine administrations, but hypocretin deficient males displayed a delayed and attenuated response to chronic cocaine administrations. Interestingly, HET males exhibited an intermediate pattern of behavioral sensitization. However, after standardization of the post-injection data versus the period of habituation prior to cocaine injections, all mice displayed similar amplitudes of behavioral sensitization, except a reduced response in KO males on the first day, suggesting that the delayed and reduced cocaine-induced locomotor sensitization may reflect a hypoactive phenotype and probably not an altered response to repeated cocaine administrations. Unexpectedly, all female mice exhibited similar patterns of cocaine-induced behavioral sensitization. We then assessed the behavioral conditioning for an environment repeatedly paired with cocaine injections (15 mg/kg ip). All mice, whatever their gender or genotype, exhibited a robust preference for the environment previously paired with cocaine administrations. Noteworthy, following two weeks of cocaine abstinence, hypocretin-deficient males and females no longer exhibited any preference for the compartment previously paired with cocaine rewards whereas both WT and HET mice continued manifesting a robust preference. We finally assessed drinking behaviors in WT, HET and KO female mice using a novel paradigm, the IntelliCages®. We report here that KO females tended to less explore the four cage comers where water was easily available. When exposed to four different kinds of liquid solutions (water, ImM quinine or saccharine 0.2%, alcohol 8% and alcohol 16%), KO mice tended to less consume the sweet and the alcoholic beverages. However, after data standardization, no significant differences were noticed between genotypes suggesting that the hypoactive phenotype is most likely accountable for the trend regarding the reduced sweet or alcohol intake in KO.Taken together, the present findings confirm that the behavior seen in Hcrt KO mice likely reflects developmental compensations since only a slightly altered cocaine-induced behavioral sensitization and a normal behavioral conditioning with cocaine were observed in these mice compared to HET and WT littermates. With regards to drinking behaviors, KO mice barely displayed any behavioral changes but a trend for reducing sweet and alcoholic beverages. Overall, the most striking observation is the constant hypoactive phenotype seen in the hypocretin-deficient mice that most likely is accountable for their reduced tendency to explore the environment. Whether this hypoactive phenotype is due to a reduced alertness or reduced motivation for reward seeking remains debatable, but our findings suggest that the hypocretin-deficient mice barely display any altered motivation for reward seeking in environments where low efforts are required to access to a reward.

Experimental approaches in the targeting of photodynamic therapeutics

RÉSUMÉ : Chez l'homme, le manque de sélectivité des agents thérapeutiques représente souvent une limitation pour le traitement des maladies. Le ciblage de ces agents pour un tissu défini pourrait augmenter leur sélectivité et ainsi diminuer les effets secondaires en comparaison d'agents qui s'accumuleraient dans tout le corps. Cela pourrait aussi améliorer l'efficacité des traitements en permettant d'avoir une concentration localisée plus importante. Le ciblage d'agents thérapeutiques est un champ de recherche très actif. Les stratégies sont généralement basées sur les différences entre cellules normales et malades. Ces différences peuvent porter soit sur l'expression des molécules à leurs surfaces comme des récepteurs ou des transporteurs, soit sur les activités enzymatiques exprimées. Le traitement thérapeutique choisi ici est la thérapie photodynamique et est déjà utilisé pour le traitement de certains cancers. Cette thérapie repose sur l'utilisation de molécules qui réagissent à la lumière, les photosensibilisants. Elles absorbent l'énergie lumineuse et réagissent avec l'oxygène pour former des radicaux toxiques pour les cellules. Les photosensibilisants utilisés ici sont de deux natures : (i) soit ils sont tétrapyroliques (comme les porphyrines et chlorines), c'est à dire qu'ils sont directement activables par la lumière ; (ii) soit ce sont des prodrogues de photosensibilisants comme l'acide 5aminolévulinique (ALA) qui est transformé dans la cellule en protoporphyrine IX photosensibilisante. Dans le but d'augmenter la sélectivité des photosensibilisants, nous avons utilisé deux stratégies différentes : (i) le photosensibilisant est modifié par le greffage d'un agent de ciblage ; (ii) le photosensibilisant est incorporé dans des structures moléculaires de quelques centaines de nanomètres. Les sucres et l'acide folique sont des agents de ciblage largement établis et ont été utilisés ici car leurs récepteurs sont surexprimés à la surface de nombreuses cellules malades. Ainsi, des dérivés sucres ou acide folique de l'ALA ont été synthétisés et évalués in vitro sur de nombreuses lignées cellulaires cancéreuses. La stratégie utilisant l'acide folique est apparue incompatible avec l'utilisation de l'ALA puisque aucune photosensibilité n'a été induite par le composé. La stratégie utilisant les sucres a, par ailleurs, provoquée de bonnes photosensibilités mais pas d'augmentation de sélectivité. En parallèle, la combinaison entre les propriétés anticancéreuses des complexes métalliques au ruthénium avec les propriétés photosensibilisantes des porphyrines, a été évaluée. En effet, les thérapies combinées ont émergé il y a une dizaine d'années et représentent aujourd'hui de bonnes alternatives aux monothérapies classiques. Des ruthenium(I1)-arènes complexés avec la tetrapyridylporphyrine ont ainsi présenté de bonnes cytotoxicités et de bonnes phototoxicités pour des cellules de mélanomes. Des porphyrines ont aussi été compléxées avec des noyaux de diruthénium et ce type de dérivé a présenté de bonnes phototoxicités et une bonne sélectivité pour les cellules cancéreuses de l'appareil reproducteur féminin. L'incorporation de photosensibilisants tétrapyroliques a finalement été effectuée en utilisant des nanoparticules (NP) biocompatibles composées de chitosan et de hyaluronate. L'effet de ces NP a été évalué pour le traitement de la polyarthrite rhumatoïde (PR). Les NP ont d'abord été testées in vitro avec des macrophages de souris et les résultats ont mis en évidence de bonnes sélectivités et photosensibilités pour ces cellules. In vivo chez un modèle marin de la PR, l'utilisation de ces NP a révélé un plus grand temps de résidence des NP dans le genou de la souris en comparaison du temps obtenu avec le photosensibilisant seul. Le traitement par PDT a aussi démontré une bonne efficacité par ailleurs égale à celle obtenue avec les corticoïdes utilisés en clinique. Pour finir, les NP ont aussi démontré une bonne efficacité sur les myelomonocytes phagocytaires humains et sur les cellules contenues dans le liquide synovial de patients présentant une PR. Tous ces résultats suggèrent que les deux stratégies de ciblage peuvent être efficaces pour les agents thérapeutiques. Afm d'obtenir de bons résultats, il est toutefois nécessaire de réaliser une analyse minutieuse de la cible et du mode d'action de l'agent thérapeutique. Concernant les perspectives, la combinaison des deux stratégies c'est à dire incorporer des agents thérapeutiques dans des nanostructures porteuses d'agents de ciblage, représente probablement une solution très prometteuse. SUMMARY : In humans, the lack of selectivity of drugs and their high effective concentrations often represent limitations for the treatment of diseases. Targeting the therapeutical agents to a defined tissue could enhance their selectivity and then diminish their side effects when compared to drugs that accumulate in the entire body and could also improve treatment efûciency by allowing a localized high concentration of the agents. Targeting therapeutics to defined cells in human pathologies is a main challenge and a very active field of research. Strategies are generally based on the different behaviors and patterns of expression of diseased cells compared to normal cells such as receptors, proteases or trans-membrane carriers. The therapeutic treatment chosen here is the photodynamic therapy and is already used in the treatment of many cancers. This therapy relies on the administration of a photosensitizer (PS) which will under light, react with oxygen and induce formation of reactive oxygen species which are toxic for cells. The PSs used here are either tetrapyrolic (i. e. porphyries and chlorins) or prodrugs of PS (5-aminolevulinic acid precursor of the endogenous protoporphyrin Imo. In order to improve PS internalization and selectivity, we have used two different strategies: the modification of the PSs with diseased cell-targeting agents as well as their encapsulation into nanostructures. Sugars and folic acid are well established as targeting entities for diseased cells and were used here since their transporters are overexpressed on the surface of many cancer cells. Therefore sugar- and folic acid-derivatives of 5-aminolevulinic acid (ALA) were synthesized and evaluated in vitro in several cancer cell lines. The folic acid strategy appeared to be incompatible with ALA since no photosensitivity was induced while the strategy with sugars induced good photosensitivites but no increase of selectivity. Alternatively, the feasibility of combining the antineoplastic properties of ruthenium complexes with the porphyrin's photosensitizing properties, was evaluated since combined therapies have emerged as good alternatives to classical treatments. Tetrapyridylporphyrins complexed to ruthenium (I17 arenes presented good cytotoxicities and good phototoxicities toward melanoma cells. Porphyries were also complexed to diruthenium cores and this type of compound presented good phototoxicities and good selectivity for female reproductive cancer cells. The encapsulation of tetrapyrolic PSs was finally investigated using biocompatible nanogels composed of chitosan and hyaluronate. The behavior of these nanoparticles was evaluated for the treatment of rheumatoid arthritis (RA). They were first tested in vitro in mouse macrophages and results revealed good selectivities and phototoxicities toward these cells. In vivo in mice model of RA, the use of such nanoparticles instead of free PS showed longer time of residence in mice knees. Photodynamic protocols also demonstrated good efficiency of the treatment comparable to the corticoid injection used in the clinic. Finally our system was also efficient in human cells using phagocytic myelomonocytes or using cells of synovial fluids taken from patients with RA. Altogether, these results revealed that both strategies of modification or encapsulation of drugs can be successful in the targeting of diseased cells. However, a careful analysis of the target and of the mode of action of the drug, are needed in order to obtain good results. Looking ahead to the future, the combination of the two strategies (i.e. drugs loaded into nanostructures bearing the targeting agents) would represent probably the best solution.

Segmental copy number variation shapes tissue transcriptomes

Abstract : Copy number variation (CNV) of DNA segments has recently gained considerable interest as a source of genetic variation likely to play a role in phenotypic diversity and evolution. Much effort has been put into the identification and mapping of regions that vary in copy number among seemingly normal individuals, both in humans and in a number of model organisms, using both bioinformatic and hybridization-based methods. Synteny studies suggest the existence of CNV hotspots in mammalian genomes, often in connection with regions of segmental duplication. CNV alleles can be in equilibrium within a population, but can also arise de novo between generations, illustrating the highly dynamic nature of these regions. A small number of studies have assessed the effect of CNV on single loci, however, at the genome-wide scale, the functional impact of CNV remains poorly studied. We have explored the influence of CNV on gene expression, first using the Williams-Beuren syndrome (WBS) associated deletion as a model, and second at the genome-wide scale in inbred mouse strains. We found that the WBS deletion influences the expression levels not only of the hemizygous genes, but also affects the euploid genes mapping nearby. Consistently, on a genome wide scale we observe that CNV genes are expressed at more variable levels than genes that do not vary in copy number. Likewise, CNVs influence the relative expression levels of genes that map to the flank of the genome rearrangements, thus globally influencing tissue transcriptomes. Further studies are warranted to complete cataloguing and fine mapping of CNV regions, as well as to elucidate the different mechanisms by which CNVs influence gene expression. Résumé : La variation en nombre de copies (copy number variation ou CNV) de segments d'ADN suscite un intérêt en tant que variation génétique susceptible de jouer un r81e dans la diversité phénotypique et l'évolution. Les régions variables en nombre de copies parmi des individus apparemment normaux ont été cartographiées et cataloguées au moyen de puces à ADN et d'analyse bioinformatique. L'étude de la synténie entre plusieurs espèces de mammifères laisse supposer l'existence de régions à haut taux de variation, souvent liées à des duplications segmentaires. Les allèles CNV peuvent être en équilibre au sein d'une population ou peuvent apparaître de novo. Ces faits illustrent la nature hautement dynamique de ces régions. Quelques études se sont penchées sur l'effet de la variation en nombre de copies de loci isolés, cependant l'impact de ce phénomène n'a pas été étudié à l'échelle génomique. Nous avons examiné l'influence des CNV sur l'expression des gènes. Dans un premier temps nous avons utilisé la délétion associée au syndrome de Williams-Beuren (WBS), puis, dans un second temps, nous avons poursuivi notre étude à l'échelle du génome, dans des lignées consanguines de souris. Nous avons établi que la délétion WBS influence l'expression non seulement des gènes hémizygotes, mais également celle des gènes euploïdes voisins. A l'échelle génomique, nous observons des phénomènes concordants. En effet, l'expression des gènes variant en nombre de copies est plus variable que celles des gènes ne variant pas. De plus, à l'instar de la délétion WBS, les CNV influencent l'expression des gènes adjacents, exerçant ainsi un impact global sur les profils d'expression dans les tissus. Résumé pour un large public : De nombreuses maladies ont pour cause un défaut génétique. Parmi les types de mutations, on compte la disparition (délétion) d'une partie de notre génome ou sa duplication. Bien que l'on connaisse les anomalies associées à certaines maladies, les mécanismes moléculaires par lesquels ces réarrangements de notre matériel génétique induisent les maladies sont encore méconnus. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à la régulation des gènes dans les régions susceptibles à délétion ou duplication. Dans ce travail, nous avons démontré que les délétions et les duplications influencent la régulation des gènes situés à proximité, et que ces changements interviennent dans plusieurs organes.

Uncovering a role for micro-RNAs in sleep homeostasis and energy metabolism

Micro-RNAs (miRNAs) are key, post-transcriptional regulators of gene expression and have been implicated in almost every cellular process investigated thus far. However, their role in sleep, in particular the homeostatic aspect of sleep control, has received little attention. We here assessed the effects of sleep deprivation on the brain miRNA transcriptome in the mouse. Sleep deprivation affected miRNA expression in a brain-region specific manner. The forebrain expression of the miRNA miR-709 was affected the most and in situ analyses confirmed its robust increase throughout the brain, especially in the cerebral cortex and the hippocampus. The hippocampus was a major target of the sleep deprivation affecting 37 miRNAs compared to 52 in the whole forebrain. Moreover, independent from the sleep deprivation condition, miRNA expression was highly region-specific with 45% of all expressed miRNAs showing higher expression in hippocampus and 55% in cortex. Next we demonstrated that down-regulation of miRNAs in Com/c2o-expressing neurons of adult mice, through a conditional and inducible Dicer knockout mice model (cKO), results in an altered homeostatic response after sleep deprivation eight weeks following the tamoxifen-induced recombination. Dicer cKO mice showed a larger increase in the electro-encephalographic (EEG) marker of sleep pressure, EEG delta power, and a reduced Rapid Eye Movement sleep rebound, compared to controls, highlighting a functional role of miRNAs in sleep homeostasis. Beside a sleep phenotype, Dicer cKO mice developed an unexpected, severe obesity phenotype associated with hyperphagia and altered metabolism. Even more surprisingly, after reaching maximum body weight 5 weeks after tamoxifen injection, obese cKO mice spontaneously started losing weight as rapidly as it was gained. Brain transcriptome analyses in obese mice identified several obesity-related pathways (e.g. leptin, somatostatin, and nemo-like kinase signaling), as well as genes involved in feeding and appetite (e.g. Pmch, Neurotensin). A gene cluster with anti-correlated expression in the cerebral cortex of post-obese compared to obese mice was enriched for synaptic plasticity pathways. While other studies have identified a role for miRNAs in obesity, we here present a unique model that allows for the study of processes involved in reversing obesity. Moreover, our study identified the cortex as a brain area important for body weight homeostasis. Together, these observations strongly suggest a role for miRNAs in the maintenance of homeostatic processes in the mouse, and support the hypothesis of a tight relationship between sleep and metabolism at a molecular - Les micro-ARNS (miARNs) sont des régulateurs post-transcriptionnels de l'expression des gènes, impliqués dans la quasi-totalité des processus cellulaires. Cependant, leur rôle dans la régulation du sommeil, et en particulier dans le maintien de l'homéostasie du sommeil, n'a reçu que très peu d'attention jusqu'à présent. Dans cette étude, nous avons étudié les conséquences d'une privation de sommeil sur l'expression cérébrale des miARNs chez la souris, et observé des changements dans l'expression de nombreux miARNs. Dans le cerveau antérieur, miR-709 est le miARN le plus affecté par la perte de sommeil, en particulier dans le cortex cérébral et l'hippocampe. L'hippocampe est la région la plus touchée avec 37 miARNs changés comparés à 52 dans le cerveau entier. Par ailleurs, indépendamment de la privation de sommeil, certains miARNs sont spécifiquement enrichis dans certaines aires cérébrales, 45% des miARNs étant surexprimés dans l'hippocampe contre 55% dans le cortex. Dans une seconde étude, nous avons observé que la délétion de DICER, enzyme essentielle à la biosynthèse des miARNs, et la perte subséquente des miARNs dans les neurones exprimant la protéine CAMK2a altère la réponse homéostatique à une privation de sommeil, 8 semaines après l'induction de la recombinaison génétique par le tamoxifen. Les souris sans Dicer (cKO) ont une plus large augmentation de l'EEG delta power, le principal marqueur électro-encéphalographique du besoin de sommeil, comparée aux contrôles, ainsi qu'un rebond en sommeil paradoxal plus petit. De façon surprenante, les souris Dicer cKO développent une obésité rapide, sévère et transitoire, associée à de l'hyperphagie et une altération de leur métabolisme énergétique. Après avoir atteint un pic maximal d'obésité, les souris cKO entrent spontanément dans une période de perte de poids rapide. L'analyse du transcriptome cérébral des souris obèses nous a permis d'identifier des voies associées à l'obésité (leptine, somatostatine et nemo-like kinase), et à la prise alimentaire (Pmch, Neurotensin), tandis que celui des souris post-obèses a révélé un groupe de gènes liés à la plasticité synaptique. Au-delà des nombreux modèles d'obésité existant chez la souris, notre étude présente un modèle unique permettant d'étudier les mécanismes sous-jacent la perte de poids. De plus, nous avons mis en évidence un rôle important du cortex cérébral dans le maintien de la balance énergétique. En conclusion, toutes ces observations soutiennent l'idée que les miARNs sont des régulateurs cruciaux dans le maintien des processus homéostatiques et confortent l'hypothèse d'une étroite relation moléculaire entre le sommeil et le métabolisme.

Roles of canonical Wnt/TCF-1 signaling for hematopoiesis, lymphocyte development and function

Summary : The canonical Wnt signaling pathway plays key roles in the maintenance of self-renewing tissues, like the gut or the skin. In contrast, the role of this pathway in hematopoiesis remains poorly defined. Wnt ligands transmit signals through ß-catenin which activates gene transcription upon its association with Lymphoid Cell Enhancer/T Cell Factor (LEF/TCF). Currently, v-catenin is the only alternative factor known to transduce canonical Wnt signals. The ß-/γ-catenin bindiná domain in TCF-1 is required to partly rescue thymopoiesis and NK cell development in TCF-1-deficient mice. However, T cell development and hematopoiesis w-as normal in mice deficient of ß-catenin, or of γ-catenin. Surprisingly we found that hematopoiesis and thymopoiesis was also normal in the combined absence of ß- and γ-catenin. Reporter assays showed that double-deficient lymphocytes were still able to transduce canonical wnt signals. These data provided evidence that hematopoietic cells can transduce canonical Wnt signals in the combined absence of ß- and γ-catenin. There exist numerous TCF-1 isoforrns including those that harbor the N-terminal ß-/y-catenin binding domain or that contains a C-terminal CRARF domain whose role in vivo has not been previously tested. We found that the CRARF domain influences lymphocyte development in conjunction with the N-treminal ß-/γ-catenin binding. The presence of the two domains directs thymocytes to the CD8+ T cell lineage whereas NK cell development is abolished. Roles of the canonical Wnt/TCF-1 pathway for lymphocyte function have not been defined. We demonstrate that TCF-1 deficient CDBT T cells mount a normal primary response to viral infection but these T cells fail to expand upon restimulation. The failure of CD8+ T cells to respond to IL-2 during primary infection seems to account for this phenotype. Thus, TCF-1 is essential for programming functional CD8+ T cell memory. Collectively, these data provide significant new insights into the role of Wnt/TCF-1 pathway for lymphocyte development and function and suggest a novel mechanism of Wnt signal transuction in hematopoietic cells. Résumé : La voie de signalisation canonique Wnt joue un rôle prépondérant dans le renouvellement de tissus, comme l'intestin ou la peau. Son rôle dans l'hématopoïèse est quant à lui mal défini. Le ligand Wnt transmet le signal via la ß-catenin qui active la transcription de gènes cibles quand il est associé avec Lymphoid Cell Enhancer,~T Cell Factor (LEF/TCF). Actuellement, la γ-catenin est le seul autre facteur connu pouvant se substituer à la fonction de la ß-catenin. Un variant de TCF-1 contenant le domaine liant ß-/,~-catenin est capable de restaurer le développement des lymphocytes T et NK en l'absence de TCF-1. Cependant la thymopoïèse et l'hématopoïèse sont normales dans les souris déficientes pour la ß-catenin ou la γ-catenin. De façon surprenante, nous avons trouvé que l'hématopoïèse et le développement des lymphocytes sont normaux lors de l'absence combinée de ß-/γ-catenin. De plus, la transduction des signaux de la voie de signalisation Wnt est maintenue dans des lymphocytes déficients pour ß-/γ-catenin. Ces résultats démontrent que les cellules hématopoïétiques peuvent transmettre les signaux de la voie canonique Wnt lors de l'absence combinée de la ß et la γ -catenin. Il existe de nombreuses isofonnes de TCF-1, y compris certaines qui comprennent un domaine qui lie ß-/γ-catenin du côté N-terminus ou qui contiennent un domaine CRARF du côté C-terminus. Nous montrons ici que le domaine CRARF influence le développement des lymphocytes en conjonction avec le domaine liant ß-/γ-catenin. La présence des deux domaines dirige les thymocytes vers la lignée de cellules T CD8, alors que le développement des cellules NK est aboli. Au-delà de sa fonction sur le développement des lymphocytes, le rôle de la soie de signalisation canonique Wnt/TCF-1 lors d'une infection n'a pas été défini. Nous avons montré que les cellules T CD8, déficientes pour TCF-1, développent une réponse primaire normale à une infection virale, mais qu'elles ne s'accumulent pas après restimulation. L'incapacité des cellules TCD8 à répondre à l'IL-2 durant la réponse primaire peut expliquer ce phénotype. Ainsi; TCF-1 est essentiel pour la programmation de cellules T CD8 mémoires fonctionnelles. L'ensemble de ces résultats fournit de nouveaux aperçus du rôle de la voie de signalisation Wnt/TCF-1 pour le développement et la fonction des lymphocytes et suggèrent un nouveau mécanisme de transduction du signal Wnt dans les cellules hématopoïétiques.

Contribution of NFI-C to TGF-β1 signalling and tissue regeneration

Summary : Platelet Derived Growth Factor (PDGF) and Transforming Growth Factor-ß (TGF-ß) are two crucial growth factors in tissue repair and regeneration. They control migration and proliferation of macrophages and fibroblasts, as well as myofibroblast differentiation and synthesis of the new connective tissue. The transcription factor Nuclear Factor I-C (NFI-C) has been implicated in the TGF-ß pathway and regulation of extracellular matrix proteins in vitro. This suggests a possible implication of NFI-C in tissue repair. In this study, our purpose was to identify the NFI-C target genes in TGF-ß1 pathway activation and define the relationship between these two factors in cutaneous wound healing process. High-throughput genomic analysis in wild-type and NFI-C knock-out embryonic fibroblasts indicated that NFI-C acts as a repressor of the expression of genes which transcriptional activity is enhanced by TGF-ß. Interestingly, we found an over representation of genes involved in connective tissue inflammation and repair. In accordance with the genomic analysis, NFI-C-/- mice showed an improvement of skin healing during the inflammatory stage. Analysis of this new phenotype indicated that the expression of PDGFA and PDGF-Ra genes were increased in the wounds of NFI-C-/- mice resulting in early recruitment of macrophages and fibroblasts in the granulation tissue. In correlation with the stimulation effect of TGF-ß on myofibroblast differentiation we found an increased differentiation of these cells in null mice, providing a rationale for rapid wound closure. Thus, in the absence of NFI-C, both TGF-ß and PDGF pathways may be activated, leading to enhanced healing process. Therefore, the inhibition of NFI-C expression could constitute a suitable therapy for healing improvement. In addition, we identified a delay of hair follicle cycle initiation in NFI-C-/- mice. This prompted us to investigate the role of NFI-C in skin appendage. The transition from a quiescent to a proliferative phase requires a perfect timing of signalling modulation, leading to stem cell activation. As a consequence of cycle initiation delay in null mice, the activation of signalling involved in cell proliferation was also retarded. Interestingly, at the crucial moment of cell fate determination, we identified a decrease of CD34 gene in mutant mice. Since CD34 protein is involved in migration of multipotent cells, we suggest that NFI-C may be involved in stem cell mobilisation required for hair follicle renewal. Further investigations of the role of NFI-C in progenitor cell activation will lead to a better understanding of tissue regeneration and raise the possibility of treating alopecia with NFI-C-targeting treatment. In summary, this study demonstrates new regenerative functions of NFI-C in adult mice, which regulates skin repair and hair follicle renewal. Résumé : PDGF et TGF-ß sont des facteurs important du mécanisme de défense immunitaire. Ils influencent la prolifération et migration des macrophages et des fibroblastes, ainsi que la différenciation des myofibroblastes et la formation du nouveau tissu conjonctif. Le facteur de transcription NFI-C a été impliqué dans la voie de signalisation de TGF-ß et dans 1a régulation de l'expression des protéines de la matrice extracellulaire in vitro. Ces études antérieures laissent supposer que NFI-C serait un facteur important du remodelage tissulaire. Cependant le rôle de NFI-C dans un tissu comme la peau n'a pas encore été étudié. Dans ce travail, le but a été de d'identifier la relation qu'il existe entre I~1FI-C et TGF-ßl à un niveau transcriptionnel et dans le processus de cicatrisation cutanée in vivo. Ainsi, une analyse génétique à grande échelle, a permis d'indiquer que NFI-C agit comme un répresseur sur l'expression des gènes dont l'activité transcriptionnelle est activée par TGF-ß. De plus nous avons identifié un groupe de gènes qui controlent le développement et l'inflammation du tissue conjonctif. En relation avec ce résultat, l'absence de NFI-C dans la peau induit une cicatrisation plus rapide pendant la phase inflammatoire. Durant cette période, nous avons montré que les expressions de PDGFA et PDGFRa seraient plus élevées en absence de NFI-C. En conséquence, l'activation de la voie de PDGF induit une infiltration plus importante des macrophages et fibroblastes dans le tissue granuleux des souris mutantes. De plus, en corrélation avec le rôle de TGF-ßl dans la différenciation des myofibroblasts, nous avons observé une différenciation plus importante de ces cellules chez les animaux knock-out, ce qui peut expliquer une contraction plus rapide de la plaie. De plus, nous avons découvert que NFI-C est impliqué dans l'initiation du cycle folliculaire. La caractérisation de ce nouveau phénotype a montré un ralentissement de la transition telogène-anagène des souris NFI-C-/-. Or, un événement clé de cette transition est la modulation de plusieurs signaux moléculaires aboutissant à' l'activation des cellules souches. En corrélation avec le decalage du cycle, l'activation de ces signaux est également décalée dans les souris NFI-C-/-. Ainsi, au commencement de l'anagène, la prolifération des keratinocytes,NFI-C-/- est retardée et corrèle avec une diminution de l'expression de CD34, une protéine responsable de la détermination du migration des cellules multipotentes. Ainsi, NFI-C semble être impliqué dans la mobilisation des cellules souches qui sont nécessaires au renouvellement folliculaire. En résumé, NFI-C est impliqué dans la régulation des signaux moléculaires nécessaires à la réparation tissulaire et son inhibition pourrait constituer un traitement de la cicatrisation. L'analyse de son rôle dans l'activation des cellules souches permettrait de mieux comprendre le renouvellement tissulaire et, à long terme, d'améliorer les techniques de greffe des cellules souches épithéliales ou consituter une cible pour le traitement de l'alopecie.

The tumour suppressor LATS2 interacts with both Signalosome and E3 ubiquitin ligases : implications in control of cell cycle progression

SUMMARY LATS2 is a member of the Lats tumour suppressor gene family. The human LATS2 gene is located at chromosome 13q11-12, which has been shown to be a hot spot (67%) for LOH in nonsmall cell lung cancer. Both lats mosaic flies and LATS1 deficient mice spontaneously develop tumours, an observation that is explained by the function of LATS1 in suppressing tumourigenesis by negatively regulating cell proliferation by modulating Cdc2/Cyclin A activity. LATS1 also plays a critical role in maintenance of ploidy through its action on the spindle assembly checkpoint. Initial insights into the function of LATS2 reveals that the protein is involved in the G2/M transition of the cell cycle, whereby it controls the phosphorylation status of Cdc25C. The aim of the present study was to identify LATS2 interacting partners that would provide a more thorough understanding of the molecular pathways in which the protein is involved. The yeast two-hybrid system identified a number of candidate genes that interact with LATS2. Most of the interactions were confirmed biochemically by GST-pull down assays that enabled us to demonstrate that LATS2 is an integral component of the Signalosome complex. The Signalosome is thought to be required for the establishment of functional Cullin-based E3 ubiquitin ligases, the substrate-recognition elements of the ubiquitin-mediated protein proteolytic pathway. The findings that LATS2 also interacts with all of the components of the E3 enzymes allows us to postulate that LATS2 is probably involved in the regulation of this Signalosome-E3 super-complex. In addition, the discovery that LATS2 associates with multiple protein kinases localised at the cellular membrane and in various signalling cascades supports the idea that LATS2 functions as an integrator of signals which allows it to monitor the activity of these pathways and translate these signals through its action on the Signalosome. Furthermore, the observation that a kinase-dead LATS2 mutant arrests at the G2/M phase of the cell cycle, demonstrates that the protein, through the action of its kinase domain, is crucial for progression through the cell cycle, an action in accordance to its proposed role as a regulator of E3 ubiquitin ligases. The findings presented herein provide evidence that LATS2 associates with the Signalosome-E3 ubiquitin ligases super-complex which governs protein stability. Any alteration of the protein would have a strong impact on pathways that modulate cell proliferation, as shown by its implication in tumourigenesis. RESUME LATS2 est un membre de la famille de gènes suppresseurs de tumeurs LATS. Le gène humain LATS2 est situé sur le chromosome 13q11-12, une région qui s'est avérée être un point sensible (67%) dans la perte d'hétérozigosité (LOH) notamment pour le cancer du poumon. Le fait que des tumeurs se développent spontanément chez les souris qui sont déficientes pour le gène LATS1 ainsi que dans des cellules mutantes pour LATS chez la Drosophile, est expliqué Par la fonction de LATS1, qui est de supprimer l'apparition de tumeurs en réprimant la prolifération cellulaire à travers sa capacité à réguler l'activité de Cdc2/Cyciine A. LATS1 joue également un rôle important au niveau du maintient de la ploïdie de la cellule, au travers de son action sur les points de contrôle de l'assemblage du fuseau mitotique. Les premières études du gène LATS2 indiquent que la protéine est, par son contrôle des réactions de phosphorylation de la Cdc25C, impliquée dans la transition 021M. Le but de cette étude était d'identifier les protéines qui interagissent avec LATS2, en vue d'obtenir une compréhension plus approfondie des mécanismes moléculaires dans lesquels LATS2 se trouve engagée. Le système de double-hybride chez la levure a permis l'identification d'un grand nombre de gènes qui interagissent avec LATS2. La plupart des interactions ont été confirmées par GST «pull clown», une technique in vitro qui a permis de démontrer que LATS2 est un composant intégral du Signalosome. Ce complexe est supposé réguler l'activité des E3 ubiquitine-rigases, les éléments responsables du recrutement des substrats qui doivent être recyclés par la voie de dégradation ubiquitine-dépendante. Les résultats obtenus indiquent également que LATS2 interagit avec tous les composants des enzymes E3, ce qui nous permet de soumettre l'idée selon laquelle la protéine LATS2 est en fait impliquée dans la régulation du complexe Signalosorne-E3. De plus, la découverte que LATS2 se trouve associée à plusieurs protéines kinases localisées au niveau de la membrane cellulaire, ainsi que dans diverses voies de transduction, confirment l'idée que LATS2 fonctionne en tant que molécule qui intègre les signaux en provenance de ces différentes voies cellulaires. De ce fait, il lui serait possible de coordonner la destruction des protéines au moyen du complexe Signalosome, permettant ainsi de réprimer l'activité des voies de signalisation. En outre, l'introduction d'une mutation dans le domaine kinase de LATS2 résulte en l'arrêt du cycle cellulaire en G2/M, ce qui montre que la protéine, au travers de son domaine kinase, est cruciale pour le bon fonctionnement du cycle cellulaire, ceci en accord avec son rôle proposé comme régulateur des E3 ubiquitine-ligases. Les résultats présentés dans ce manuscrit démontrent que la protéine LATS2 se trouve associée au complexe Signalosome-E3 qui régule la dégradation des protéines. La moindre modification de la protéine engendrerait des répercussions importantes au niveau des voies de transduction qui contrôlent fa prolifération ceilulaire, ce qui atteste du rôle déterminant que joue LAT32 dans la tumorigénèse.

Role of ENaC in skin wound healing and phenotypic analysis of GILZ-deficient mice

In my first project, I analyzed the role of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC) in the skin during wound healing. ENaC is present in the skin and a function in keratinocyte differentiation and barrier formation has been demonstrated. Previous findings suggested, that ENaC might be implicated in keratinocyte migration, although its role in wound healing was not analyzed yet. Using skin-specific (K14-Cre) conditional ENaC knockout and overexpressing mice, I determined the wound closure kinetic and performed morphometric measurements. The time course of wound repair was not significantly different in knockouts or transgenics when compared to control mice and the morphology of the closing wound was not altered. In my second project, I studied the glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ is widely expressed and an important role has been predicted in immunity, adipogenesis and renal sodium handling. Mice were generated that constitutively lack all the functional domains of the Gilz gene. In these mice, the expression of GILZ mRNA transcripts and protein were completely abolished in all tissues tested. Surprisingly, knockout mice survived. To test whether GILZ mimicks glucocorticoid action, we studied its implication in T- and B- cell development and in a model of sepsis. We measured cytokine secretion in different inflammatory models, like in peritoneal and bone marrow-derived macrophages, in splenocytes and a model of sepsis. In all our experiments, cytokine secretion from GILZ- deficient cells was not different from controls. From 6 months onwards, knockout mice contained significantly less body fat and were lighter. Following sodium and water deprivation experiments, water and salt homeostasis was preserved. Sterility of knockout males was associated with a severe testis dysplasia, smaller seminiferous tubules, the number of Sertoli and germ cell was reduced while increased apoptosis, but not cell proliferation, was evidenced. The interstitial Leydig cell population was augmented, and higher plasma FSH and testosterone levels were found. Interestingly, the expression of the target gene Ppar2 was diminished in the testis and in the liver, but not in the skin, kidney or fat. Tsc22d1 mRNA transcript level was found to be upregulated in testis, but not in the kidney or fat tissue. In most tissue, excepted the testis, GILZ-deficient mice reveal functional redundancy amongst members of the Tsc22d family or genes involved in the same regulatory pathways. In summary, contrarily to the published in vitro data, GILZ does not play a crucial role attributed in immunology or inflammation, but we identified a novel function in spermatogenesis. -- Dans mon premier projet, j'ai analysé le rôle du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) dans la cicatrisation de la peau. ENaC est présent dans la peau et il a une fonction dans la différenciation des kératinocytes et dans la formation de la barrière. Des études suggèrent qu'ENaC pourrait être impliqué dans la migration des kératinocytes, cependant, son rôle dans la cicatrisation n'a pas encore été étudié. A l'aide de souris qui surexpriment ou qui sont knockout pour ENaC, spécifiquement dans la peau (K14-Cre), j'ai analysé le temps de clôture de la cicatrice et j'ai aussi étudié la morphologie de la plaie guérissant. Chez les souris qui surexpriment ou chez les knockouts, la vitesse de fermeture et la morphologie de la cicatrice étaient identiques aux souris contrôles. Dans mon second projet, j'ai étudié le glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ est largement exprimé et un rôle important a été prédit dans l'immunité, l'adipogénèse et le transport sodique rénal. Des souris ont été générées dont les domaines fonctionnels du gène Gilz sont éliminés. L'expression de GILZ en ARNm et protéine a été complètement abolie dans tous les tissus testés. Étonnamment, ces souris knockout survivent. Afin de tester si GILZ imite les effets des glucocorticoïdes, nous avons étudié son implication dans le développement des cellules T et B ainsi qu'un modèle de septicémie. Nous avons mesuré la sécrétion de cytokines à partir de différents modèles d'inflammation tels que des macrophages péritonéaux ou de moelle, de splénocytes ou encore d'un modèle de septicémie. Dans toutes nos expériences, la sécrétion de cytokines de cellules GILZ-déficientes était semblable. Dès 6 mois, les knockouts contenaient significativement moins de graisses et étaient plus légères. Suite à une privation sodique et aqueuse, l'homéostasie du sel et de l'eau était préservée. Les mâles knockouts présentaient une stérilité accompagnée d'une dysplasie testiculaire sévère, de tubules séminifères étaient plus petits et contenaient un nombre réduit de cellules de Sertoli et de cellules germinales. L'apoptose était augmentée dans ces cellules mais pas la prolifération cellulaire. Le nombre de cellules de Leydig était aussi plus élevé, ainsi que la FSH et la testostérone. L'expression du gène cible Pparγ2 était diminuée dans le testicule et le foie, mais pas dans la peau, le rein ou le tissu adipeux. L'ARNm de Tsc22d1 était plus exprimé dans le testicule, mais pas dans le rein ou le tissu adipeux. Dans la plupart des tissus, sauf le testicule, les souris knockouts révélaient une redondance fonctionnelle des autres membres de la famille Tsc22d ou de gènes impliqués dans les mêmes voies de régulation. En résumé, contrairement aux données in vitro, GILZ ne joue pas un rôle essentiel en immunologie, mais nous avons identifié une nouvelle fonction dans la spermatogénèse.

Assessment and analysis of mechanical allodynia-like behavior induced by spared nerve injury (SNI) in the mouse

Rrésumé: La première description dans une publication médicale des douleurs neuropathiques remonte à 1872, le Dr S.W. Mitchell les résumant ainsi [...]" la causalgie est la plus terrible des tortures qu'une lésion nerveuse puisse entraîner "[...]. Par définition, la douleur neuropathique est une douleur chronique faisant suite à une lésion ou dysfonction du système nerveux. Malgré les progrès faits dans la compréhension de ce syndrome, le détail des mécanismes impliqués nous échappe encore et son traitement reste insuffisant car moins de 50% des patients sont soulagés par les thérapies actuelles. Différents modèles expérimentaux ont été élaborés chez l'animal de laboratoire, en particulier des modèles de lésion de nerfs périphériques chez le rat, permettant des investigations tant moléculaires que fonctionnelles des mécanismes impliqués dans le développement de ces douleurs. En revanche, peu de modèles existent chez la souris, alors que cet animal, grâce à la transgénèse, est très fréquemment utilisé pour l'approche fonctionnelle ciblée sur un gène. Dans l'étude présentée ici, nous avons évalué chez la souris C57BL/6 l'adaptation d'un modèle neuropathique, proposé une nouvelle modalité de mesure de la sensibilité douloureuse adaptée à la souris et défini une méthode d'analyse performante des résultats. Ce modèle, dit de lésion avec épargne nerveuse (spared Werve injury, SNI), consiste en la lésion de deux des trois branches du nerf sciatique, soit les nerfs peronier commun et tibial. La troisième branche, le nerf sural est laissé intact et c'est dans le territoire cutané de ce dernier que la sensibilité douloureuse à des stimulations mécaniques est enregistrée. Des filaments calibrés de force croissante sont appliqués sur la surface de la patte impliquée et la fréquence relative de retrait de la patte a été modélisée mathématiquement et analysée par un modèle statistique intégrant tous les paramètres de l'expérience (mixed-effects model). Des variantes chirurgicales lésant séquentiellement les trois branches du nerf sciatique ainsi que la réponse en fonction du sexe de l'animal ont également été évaluées. La lésion SNI entraîne une hypersensibilité mécanique marquée comparativement aux souris avec chirurgie contrôle; cet effet est constant entre les animaux et persiste durant les quatre semaines de l'étude. De subtiles différences entre les variables, y compris une divergence de sensibilité mécanique entre les sexes, ont été démontrées. La nécessité de léser le nerf tibial pour le développement des symptômes a également été documentée par notre méthode d'évaluation et d'analyse. En conclusion, nous avons validé le modèle SNI chez la souris par l'apparition d'un symptôme reproductible et apparenté à l'allodynie mécanique décrite par les patients souffrant de douleurs neuropathiques. Nous avons développé des méthodes d'enregistrement et d'analyse de la sensibilité douloureuse sensibles qui permettent la mise en évidence de facteurs intrinsèques et extrinsèques de variation de la réponse. Le modèle SNI utilisé chez des souris génétiquement modifiées, de par sa précision et reproductibilité, pourra permettre la discrimination de facteurs génétiques et épigénétiques contribuant au développement et à la persistance de douleurs neuropathiques.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal cells in the barrel cortex of mice

ABSTRACT : The whisker-to-barrel pathway of rodents is formed by a series of somatotopic projections from the mystacial whisker follicles to the layer IV of the primary somatosensory cortex such that each follicle corresponds to a cluster of cortical neurons called barrel. Barrels are present in layer IV but form part of functional columns that comprise the entire depth of the somatosensory cortex. Interestingly, the cortex of the barrelless mouse strain (BRL) is organized such a manner that thalamocortical afferents do not remodel their projections in layer IV and barrels fail to appear. Nevertheless, functionally, a columnar organization persists, indicating that functional columns are not only provided by thalamocortical projections and layer IV cells. Since in the visual cortex of cats, layer VI cells contribute to the response properties of layer IV neurons, we wonder whether layer VI pyramidal cells could contribute to the columnar organization of the primary somatosensory cortex of mice. To address -this question, we morphologically analyzed the distribution of intracortical axon collaterals of layer VI neurons after in-vivo juxtacellular injections of biocytin in the C2 barrel column. Injected hemispheres were tangentially serial cut and intracortical collaterals of individual layer VI neurons were reconstructed at the light microscopic level. The position of axonal boutons was recorded to evaluate the distribution of presumed synaptic contacts. In normal (NOR) mice, cluster analysis shows that layer VI pyramidal cells can be classified in four statistically different clusters of neurons. Moreover, we assume that two classes are formed by cortico-cortical neurons and two classes are formed by cortico-thalamic neurons. Looking at the direction of the main axon in the white matter, we noticed that its orientation correlates perfectly with the type of neuron: cortico-cortical neurons send main axon medially whereas cortico-thalamic neurons send main axon laterally. Performing the same study in the BRL strain, we showed that the BRL mutation affects layer VI pyramidal cells tangentially and radially: the effects of the mutation are illustrated by a significant decrease of the index of colurnnarization and a significant decrease of percentage of boutons in granular and supragranular layers comparing to NOR neurons. In spite of these differences, the same four classes of layer VI neurons have been found in BRL mice. Using a tangential analysis of the boutons distribution, we showed that putative synapses are distributed mainly in the C2 barrel column. This was observed for each layer, type of neuron, cluster or strain, indicating that layer VI pyramidal cells could participate to the functional columnar organization of the barrel cortex. To determine post-synaptic partners of layer VI neurons in layer IV, we conducted an ultrastructural analysis of layer VI-to-IV contacts. We showed that synapses principally occur on spines and spiny dendritic shafts, supposed to belong to excitatory neurons. We furthermore showed that pre-synaptic elements are significantly different between en passant and terminaux contacts, which support hypothesis that terminaux boutons should show longer duration of facilitation than en passant boutons. RÉSUMÉ : Le «whisker-to-barrel pathway» des rongeurs est caractérisé par une série de projections somatotopiques depuis les follicules des moustaches ('whiskers') jusqu'à la couche IV de l'aire somatosensorielle primaire, de telle façon que chaque follicule corresponde à un groupe de neurones corticaux appelés tonneaux (`barrels'). Les tonneaux sont seulement présents en couche IV mais font partie de colonnes fonctionnelles qui s'étendent sur toute la profondeur du cortex somatosensoriel. Chez les souris mutantes barrelless (BRL), le cortex somatosensoriel est organisé de façon telle que lés afférences thalamocorticales ne remodellent pas leurs projections en couche IV et que les tonneaux n'apparaissent pas. Fonctionnellement, pourtant, une organisation en colonnes persiste, ce qui indique que les colonnes fonctionnelles ne sont pas uniquement produites par les projections thalamocorticales et par les cellules de la couche IV. Puisque les cellules de la couche VI contribuent à influencer les réponses des cellules de la couche IV dans le cortex visuel du chat, nous nous sommes demandé si ces cellules ne pourraient pas aussi contribuer à l'organisation en colonnes du cortex somatosensoriel primaire de la souris. Pour répondre à cette question, nous avons analysé de façon morphologique la distribution intracorticale des collatéraux axonaux de neurones de la couche VI. Suite à des injections juxtacellulaires de biocytine in-vivo dans la colonne C2, les hémisphères cérébraux ont été tangentiellement coupés en série et les collatéraux intracorticaux des neurones de la couche VI ont été reconstruits en microscopie optique. La position des boutons axonaux a aussi été enregistrée pour évaluer la distribution des contacts synpptiques potentiels. Chez les souris NOR, une analyse multivariée montre que les cellules pyramidales de la couche VI sont distribuées en quatre classes. Deux de ces classes sont probablement formées de neurons cortico-corticaux, alors que les deux autres sont probablement formées de neurones corticothalamiques. En observant la direction de l'axone principal dans la matière blanche, nous avons noté que son orientation est parfaitement corrélée avec le type supposé de neurone : les neurones corticocorticaux envoient leurs axones principaux médiallement, alors que les neurons cortico-thalamiques envoient leurs axones principaux latéralement. En menant la même étude chez les souris BRL, nous avons montré que la mutation affecte les cellules pyramidales de la couche VI de façon tangentielle, mais aussi radiaire : les effets de 1a mutation se traduisent par une diminution significative de l'index de « columnarization » et de la connectivité en couches granulaire et supragranulaire. Malgré ces différences, les quatre mêmes classes de neurones ont été retrouvées. En utilisant une analyse tangentielle de la distribution des boutons, nous avons montré que les synapses potentielles sont distribuées principalement dans la colonne C2. Cette observation a été faite dans chaque couche, chaque type de neurones, chaque classe de neurones et chaque souche de souris, indicant que les cellules de la couche VI participent certainement à l'organisation en colonne du cortex somatosensoriel. Pour déterminer les partenaires post-synaptiques des cellules de la couche VI en couche IV, nous avons conduit une analyse ultrastructurelle de ces contacts. Nous avons montré que les synapses interviennent principalement sur les épines et sur les dendrites supposés appartenir à des cellules excitatrices. Nous avons aussi montré que les éléments pré-synaptiques de ces synapses sont significativement differents selon le type de bouton, en passant ou terminal, ce qui supporte l'hypothèse que les boutons terminaux seraient capables d'une plus longue facilitation.

Chemotherapy induces tumor metastasis and dormancy

Chemotherapy is widely used as a systemic treatment modality in cancer patients and provides survival benefits for a significant fraction of treated patients H However, some patients suffer from cancer relapse and rapidly progress to metastasis, suggesting that following chemotherapy their residual tumor developed a more aggressive phenotype 4 5. Although some molecular mechanisms involved in chemo-resistance and chemotherapy-induced metastatic relapse have been reported, more investigations and understanding of these processes are necessary before any translation into the clinic might be considered. By using the syngeneic metastatic 4T1 murine breast cancer model, we observed that chemotherapy treatment and selection of chemotherapy-resistant cancer cells in vitro can induces two opposite phenotypes: a dormant one and a relapsing-metastatic one. Previous studies in our laboratory demonstrated that irradiation of mammary gland promotes tumor metastasis, at least in part, by inducing the recruitment of CD11b+ cells to both the primary tumor and the lungs at a pre-metastatic stage. In this study we found that CD11b+ cells may also play important roles in chemotherapy-induced tumor metastasis and dormancy in vivo. Tumor cells expressing the stem cell marker Sca-1 were enriched by chemotherapy treatment in vitro, as well as in tumor metastasis in vivo. Furthermore, tumor-derived CD11b+ cells were capable to maintain and expand this population in vitro. These results suggest that the expansion of a tumor cell population with stem cell features might be a mechanism by which chemotherapy induces metastasis. On the other hand, the same drug treatment in vitro generated resistant cells with a dormant phenotype. Dormant tumor cells were able to induce an in vivo immune- inflammatory response in the draining lymph node, which is normally absent due to the immunosuppressive effects of tumor-recruited myeloid derived- suppressor cells (MDSCs). Genome-wide gene expression analysis revealed the enrichment of invasion and metastasis-related genes in the relapsing metastatic tumor cells and immune response-related genes in the dormant tumor cells. Interestingly, CD11b+ cells derived from the microenvironment of growing-metastatic tumors, but not CD11b+ cells derived from the spleen of tumor-free mice, were able to instigate outgrowth of dormant tumor cells in vivo. Also, dormant cells formed growing and metastatic tumors when injected into immune-compromised NGS mice. These results point to a role of chemotherapy in enabling treated tumor cells to acquire immune response-inducing capabilities, while impairing the recruitment of CD11b+ cells and their differentiation into an immune-suppressive cell. The molecular mechanisms underneath these effects are being further investigated. In conclusion, results obtained in this model indicate that chemotherapy can induce a dormant phenotype in cancer cells and that this state of dormancy can be broken by MDSCs educated by relapsing tumors. Understanding the mechanism beyond these effects, in particular unraveling the genetic or epigenetic determinants of dormancy vs relapse, might open the way to therapies aimed and maintaining residual cells escaping chemotherapy in a state of sustained dormancy. - La chimiothérapie est un traitement systémique largement utilisé chez les patients cancéreux qui donne un avantage de survie significatif pour une bonne partie de patients traités (1-3). Cependant, certains patients souffrent d'une rechute et progressent ensuite vers la métastase. Ceci suggère que leur tumeur résiduelle a développé un phénotype agressif suite à la chimiothérapie (4-5). Bien que certains mécanismes moléculaires impliqués dans la chimiorésistance et la rechute métastatique ont été identifiés, d'avantage d'études sont nécessaires afin de mieux comprendre ce phénomène et de développer des nouvelles thérapies cliniques. En utilisant un modèle syngénique de cancer du sein métastatique chez la sourie (4T1), nous avons observé que la sélection des cellules cancéreuses résistantes à la chimiothérapie in vitro peut induire deux phénotypes opposés: un phénotype de dormance et un phénotype de progression métastatique. Une étude précédente issue de notre laboratoire a démontré que l'irradiation de la glande mammaire favorise la métastase de tumeurs recourants suite au recrutement de cellules CD11b+ dans la tumeur primaire et dans les poumons pré-métastatiques. Dans notre étude nous avons constaté que les cellules CD11b+ peuvent également jouer un rôle important dans la formation de métastases induites par la chimiothérapie ainsi que dans le maintien de la dormance in vivo. Nous avons également observé un enrichissement de cellules tumorales exprimant le marqueur de cellule souche Sca-1 parmi les cellules tumorales résistantes à la chimiothérapie et dans les cellules qui on formé des métastases in vivo. Des cellules CD11b+ dérivées du microenvironnement tumorale favorisent l'expansion de la population de cellules tumorales Sca-1+ in vitro. Ces résultats suggèrent que l'expansion d'une population de cellules tumorales avec des caractéristiques de cellules souches pourrait constituer un mécanisme par lequel la chimiothérapie induit des métastases dans des tumeurs récurrentes. D'autre part le même traitement de chimiothérapie peut générer des cellules résistantes avec un phénotype dormant. Les expériences in vivo indiquent que les cellules tumorales dormantes induisent une réponse immunitaire inflammatoire dans le ganglion lymphatique de drainage, qui est normalement réprimée par des cellules myéloïdes suppressives de tumeur (MDSC). Une analyse d'expression de gènes a révélé l'enrichissement de gènes liés à l'invasion et à la métastase dans les cellules tumorales récurrentes et des gènes liés à la réponse immunitaire dans les cellules tumorales dormantes. Les cellules CD11b+ issues du microenvironnement des tumeurs récurrents ont incité la croissance des cellules tumorales dormantes in vivo, tandis que les cellules CD11b+ dérivées de la rate de souris non porteuses de tumeur ne l'étaient pas. Les mécanismes moléculaires sous-jacents restent à découvrir. En conclusion, les résultats obtenus dans ce modèle indiquent que la chimiothérapie pourrait favoriser non seulement l'induction d'une dormance cellulaire, mais également que les cellules dormantes seraient adroits de induire une réponse immunitaire capable les maintenir dans un état de dormance prolongé. Un déséquilibre dans cette réponse immunitaire pourrait des lors briser cet état de dormance et induire une progression tumorale. Comprendre les mécanismes responsables de ces effets, en particulier l'identification des déterminants génétiques ou épigénétiques liés à la dormance vs la rechute, pourraient ouvrir la voie à des nouvelles thérapies visant le maintien d'un état de dormance permanente des cellules résiduelles après chimiothérapie.

Immunological and protective properties of novel malaria blood stage peptide antigens

ABSTRACT Malaria is a major worldwide public health problem, with transmission occurring throughout Africa, Asia, Oceania and Latin America. Over two billion people live in malarious areas of the world and it is estimated that 300-500 million cases and 1.5-2.7 million deaths occur annually. The increase in multi-drug resistant parasites and insecticide-resistant vectors has made the development of malaria vaccine a public health priority. The published genome offers tremendous opportunity for the identification of new antigens that can befast-tracked for vaccine development. We identified potential protein antigens present on the surface of asexual malaria blood stages through bioinformatics and published transcriptome and proteorné analysis. Amongst the proteins identified, we selected those that contain predicted a-helical coiled-coil regions, which are generally short and structurally stable as isolated fragments. Peptides were synthesized and used to immunize mice. Most peptides tested were immunogenic as demonstrated in ELISA assays, and induced antibodies of varying titres. In immunofluorescence assays, anti-sera from immunized mice reacted with native proteins expressed at different intraerythrocytic developmental stages of the parasite's cycle. In parallel in vitro ADCI functional studies, human antibodies affinity purified on some of these peptides inhibited parasite growth in association with monocytes in magnitudes similar to that seen in semiimmune African adults. Siudies using human immune sera taken from different malaria endemic regions, demonstrated that majority of peptides were recognized at high prevalence. 73 peptides were next tested in longitudinal studies in two cohorts separated in space and time in coastal Kenya. In these longitudinal analyses, antibody responses to peptides were sequentially examined in two cohorts of children at risk of clinical malaria in order to characterize the level of peptide recognition by age, and the role of anti-peptide antibodies in protection from clinical malaria. Ten peptides were associated ?with a significantly reduced odds ratio for an episode of clinical malaria in the first cohort of children and two of these peptides (LR146 and ÁS202.11) were associated with a significantly reduced odds ratio in both cohorts. This study has identified proteins PFB0145c and MAL6P1.37 among others as likely targets of protective antibodies. Our findings support further studies to systematically assess immunogenicity of peptides of interest in order to establish clear criteria for optimal design of potential vaccine constructs to be tested in clinical trials. RESUME La malaria est un problème de santé publique mondial principalement en Afrique, en Asie, en Océanie et en Amérique latine. Plus de 2 milliards de personnes vivent dans des régions endémiques et le nombre de cas par année est estimé entre 300 et 500 millions. 1.5 à 2.7 millions de décès surviennent annuellement dans ces zones. L'augmentation de la résistance aux médicaments et aux insecticides fait du développement d'un vaccin une priorité. Le séquençage complet du génome du parasite offre l'opportunité d'identifier de nouveaux antigènes qui peuvent rapidement mener au développement d'un vaccin. Des protéines antigéniques potentielles présentes à la surface des globules rouges infectés ont été identifiées par bioinformatique et par l'analyse du protéome et du transcriptome. Nous avons sélectionné, parmi ces protéines, celles contenant des motifs dits "a helical coiled-coil" qui sont généralement courts et structurellement stables. Ces régions ont été obtenues par synthèse peptidique et utilisées pour immuniser des souris. La plupart des peptides testés sont immunogéniques et induisent un titre variable d'anticorps déterminé par ELISA. Les résultats de tests d'immunofluorescence indiquent que les sera produits chez la souris reconnaissent les protéines natives exprimées aux différents stades de développement du parasite. En parallèle, des études d'ADCI in vitro montrent qué des anticorps humains purifiés à partir de ces peptides associés à des monocytes inhibent la croissance du parasite aussi bien que celle observée chez des adultes africains protégés. Des études d'antigénicité utilisant des sera de personnes protégées de différents âges vivant dans des régions endémiques montrent que la majorité des peptides sont reconnus avec une haute prévalence. 73 peptides ont été testés dans une étude longitudinale avec 2 cohortes de la côte du Kenya. Ces 2 groupes viennent de zones bien distinctes et les prélèvements n'ont pas été effectués pendant la même période. Dans cette étude, la réponse anticorps contre les peptides synthétiques a été testée dans les 2 cohortes d'enfants à risque de développer un épisode de malaria afin de caractériser le niveau de reconnaissance des peptides en fonction de l'âge et de déterminer le rôle des anticorps anti-peptides dans la protection contre la malaria. Parmi ces peptides, 10 sont associés à une réduction significative des risques de développer un épisode de malaria dans la première cohorte alors qu'un seul (LR146 et AS202.11) l'est dans les 2 cohortes. Cette étude a identifié, parmi d'autres, les protéines PFB0145c et MAL6P1.37 comme pouvant être la cible d'anticorps. Ces résultats sont en faveur de futures études qui évalueraient systématiquement l'immunogénicité des peptides d'intérêt dans le but d'établir des critères de sélection clairs pour le développement d'un vaccin. Résumé pour un large public La malaria est un problème de santé publique mondial principalement en Afrique, en Asie, en Océanie et en Amérique latine. Plus de 2 milliards de personnes vivent dans des régions endémiques et le nombre de cas par année est estimé entre 300 et 500 millions. 1.5 à 2.7 millions de décès surviennent annuellement dans ces zones. La résistance aux médicaments et aux insecticides augmente de plus en plus d'où la nécessité de développer un vaccin. Le séquençage complet du génome (ensemble des gènes) de P. falciparum a conduit au développement de nouvelles .études à large échelle dans le domaine des protéines du parasite (protéome) ; dans l'utilisation d'algorithmes, de techniques informatiques et statistiques pour l'analyse de données biologiques (bioinformatique) et dans les technologies de transcription et de profiles d'expression (transcriptome). Nous avons identifié, en utilisant les outils ci-dessus, des nouvelles protéines antigéniques qui sont présentes au stade sanguin de la malaria. Nous avons sélectionné, parmi ces protéines, celles contenant un motif dit "a-helical coiled-coil" qui sont des domaines impliqués dans un large éventail de fonctions biologiques. Des peptides représentant ces régions structurellement stables ont été synthétisés et utilisés pour immuniser des souris. La plupart des peptides testés sont immunogéniques et induisent un titre variable d'anticorps déterminé par ELISA. Les résultats de tests d'immunofluorescence indiquent que plusieurs sera de souris immunisées avec ces peptides reconnaissent les protéines natives exprimées à la surface des globules rouges infectés. En parallèle, des études d'ADCI in vitro montrent que des anticorps humains purifiés à partir de ces peptides en présence de monocytes inhibent la croissance du parasite de manière similaire à celle observée chez des adultes africains protégés. Des études d'antigénicité utilisant des sera de personnes immunes de différents âges (adultes et enfants) vivant dans des régions endémiques montrent que la majorité des peptides sont reconnus avec une haute prévalence. 73 peptides ont été testés dans des études épidémiologiques dans 2 villages côtiers du Kenya Ces 2 groupes vivent dans des zones bien distinctes et les prélèvements n'ont pas été effectués pendant la même période. Dans ces études, la réponse anticorps dirigée contre les peptides synthétiques a été testée en utilisant 467 échantillons sanguins d'enfants à risque de développer un épisode de malaria afin de caractériser le niveau de reconnaissance des peptides en fonction de l'âge et de déterminer le rôle des anticorps anti-peptides dans la protection contre la malaria cérébrale. Parmi ces peptides, 10 sont associés à une protection contre un épisode de malaria dans le premier village alors qu'un seul l'est dans les 2 villages. Ces résultats sont en faveur de futures études qui évalueraient systématiquement l'immunogénicité des peptides intéressants dans le but d'établir des critères de sélection clairs pour le développement d'un vaccin.

Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Characterization of tumor antigen specific CD8+ T cells and semi-invariant Vα24/Vβ11 NKT cells in tumor invaded liver

Summary: Detailed knowledge on tumor antigen expression and specific immune cells is required for a rational design of immunotherapy for patients with tumor invaded liver. In this study, we confirmed that Cancer/Testis (CT) tumor-associated antigens are frequently expressed in hepatocellular carcinoma (HCC) and searched for the presence of CD8+ T cells specific for these antigens. In 2/10 HLA-A2+ patients with HCC, we found that MAGE-A10 and/or SSX-2 specific CD8+ T cells naturally responded to the disease, since they were enriched in tumor lesions but not in non-tumoral liver. Isolated T cells specifically and strongly killed tumor cells in vitro, suggesting that these CTL were selected in vivo for high avidity antigen recognition, providing the rational for specific immunotherapy of HCC, based on immunization with CT antigens such as MAGE-Al 0 and SSX-2. Type 1 NKT cells express an invariant TCR α chain (Vα24.1α18, paired with Vβ11 in human) and share a specific reactivity to αGalactosylceramide (αGC) presented by CD1d. These cells can display paradoxical immuno-regulatory properties including strong anti-tumor effects upon αGC administration in murine models. To understand why NKT cells were not sufficiently protective against tumor development in patients with tumor invaded liver, we characterized the diversity of Vα24/Vβ11 NKT cells in healthy donors (HD) and cancer patients: NKT cells from HD and patients were generally diverse in terms of TCR β chain (Vβ11) variability and NKT cells from HD showed a variable recognition of αGC loaded CD 1 d multimers. Vα24/ Vβ11 NKT cells can be divided in 3 populations, the CD4, DN (CD4-/CD8-) and CD8 NKT cell subsets that show distinct ability of cytokine production. In addition, our functional analysis revealed that DN and CD8 subsets displayed a higher cytolytic potential and a weaker IFNγ release than the CD4 NKT cell subset. NKT cell subsets were variably represented in the blood of HD and cancer patients. However, HD with high NKT cell frequencies displayed an enrichment of the DN and CD8 subsets, and few of them were suggestive of an oligoclonal expansion in vivo. Comparable NKT cell frequencies were found between blood, non-tumoral liver and tumor of patients. In contrast, we identified a gradual enrichment of CD4 NKT cells from blood to the liver and to the tumor, together with a decrease of DN and CD8 NKT cell subsets. Most patient derived NKT cells were unresponsive upon αGalactosylceramide stimulation ex vivo; NKT cells from few patients displayed a weak responsiveness with different cytokine polarization. The NKT cell repertoire was thus different in tumor tissue, suggesting that CD4 NKT cells infiltrating tumors may be detrimental for protection against tumors and instead may favour the tumor growth/recurrence as recently reported in mice. Résumé en français scientifique : Afin de développer le traitement des patients porteurs d'une tumeur dans le foie par immunothérapie, de nouvelles connaissances sont requises concernant l'expression d'antigènes par les tumeurs et les cellules immunitaires spécifiques de ces antigènes. Nous avons vérifié que des antigènes associés aux tumeurs, tels que les antigènes « Cancer-Testis » (CT), sont fréquemment exprimés par le carcinome hepatocéllulaire (CHC). La recherche de lymphocytes T CD8+ spécifiques (CTL) de ces antigènes a révélé que des CTL spécifiques de MAGE-A10 et/ou SSX-2 ont répondu naturellement à la tumeur chez 2/10 patients étudiés. Ces cellules étaient présentes dans les lésions tumorales mais pas dans le foie adjacent. De plus, ces CTL ont démontré une activité cytolytique forte et spécifique contre les cellules tumorales in vitro, ce qui suggère que ces CTL ont été sélectionnés pour une haute avidité de reconnaissance de l'antigène in vivo. Ces données fournissent une base pour l'immunothérapie spécifique du CHC, en proposant de cibler les antigènes CT tels que MAGE-A10 ou SSX-2. Les cellules NKT de type 1 ont une chaîne α de TCR qui est invariante (chez l'homme, Vα24Jα18, apparié avec Vβ11) et reconnaissent spécifiquement l'αGalactosylceramide (αGC) présenté par CD1d. Ces cellules ont des propriétés immuno¬régulatrices qui peuvent être parfois contradictoires et leur activation par l'αGC induit une forte protection anti-tumorale chez la souris: Afin de comprendre pourquoi ces cellules ne sont pas assez protectrices contre le développement des tumeurs dans le foie chez l'homme, nous avons étudié la diversité des cellules NKT Vα24/Vβ11 d'individus sains (IS) et de patients cancéreux. Les cellules NKT peuvent être sous-divisées en 3 populations : Les CD4, DN (CD4- /CD8-) ou CDS, qui ont la capacité de produire des cytokines différentes. Nos analyses fonctionnelles ont aussi révélé que les sous-populations DN et CD8 ont un potentiel cytolytique plus élevé et une production d'IFNγ plus faible que la sous-population CD4. Ces sous-populations sont représentées de manière variable dans le sang des IS ou des patients. Cependant, les IS avec un taux élevé de cellules NKT ont un enrichissement des sous- populations DN ou CDS, et certains suggèrent qu'il s'agit d'une expansion oligo-clonale in vivo. Les patients avaient des fréquences comparables de cellules NKT entre le sang, le foie et la tumeur. Par contre, la sous-population CD4 était progressivement enrichie du sang vers le foie et la tumeur, tandis que les sous-populations DN ou CD8 était perdues. La plupart des cellules NKT des patients ne réagissaient pas lors de stimulation avec l'αGC ex vivo et les cellules NKT de quelques patients répondaient faiblement et avec des polarisations de cytokines différentes. Ces données suggèrent que les cellules NKT CD4, prédominantes dans les tumeurs, sont inefficaces pour la lutte anti-tumorale et pourraient même favoriser la croissance ou la récurrence tumorale. Donc, une mobilisation spécifique des cellules NKT CD4 négatives par immunothérapie pourrait favoriser l'immunité contre des tumeurs chez l'homme. Résumé en français pour un large public Au sein des globules blancs, les lymphocytes T expriment un récepteur (le TCR), qui est propre à chacun d'entre eux et leur permet d'accrocher de manière très spécifique une molécule appelée antigène. Ce TCR est employé par les lymphocytes pour inspecter les antigènes associés avec des molécules présentatrices à la surface des autres cellules. Les lymphocytes T CD8 reconnaissent un fragment de protéine (ou peptide), qui est présenté par une des molécules du Complexe Majeur d'Histocompatibilité de classe I et tuent la cellule qui présente ce peptide. Ils sont ainsi bien adaptés pour éliminer les cellules qui présentent un peptide issu d'un virus quand la cellule est infectée. D'autres cellules T CD8 reconnaissent des peptides comme les antigènes CT, qui sont produits anormalement par les cellules cancéreuses. Nous avons confirmé que les antigènes CT sont fréquemment exprimés par le cancer du foie. Nous avons également identifié des cellules T CD8 spécifiques d'antigènes CT dans la tumeur, mais pas dans le foie normal de 2 patients sur 10. Cela signifie que ces lymphocytes peuvent être naturellement activés contre la tumeur et sont capables de la trouver. De plus les lymphocytes issus d'un patient ont démontré une forte sensibilité pour reconnaître l'antigène et tuent spécifiquement les cellules tumorales. Les antigènes CT représentent donc des cibles intéressantes qui pourront être intégrés dans des vaccins thérapeutiques du cancer du foie. De cette manière, les cellules T CD8 du patient lui-même pourront être induites à détruire de manière spécifique les cellules cancéreuses. Un nouveau type de lymphocytes T a été récemment découvert: les lymphocytes NKT. Quand ils reconnaissent un glycolipide présenté par la molécule CD1d, ils sont capables, de manière encore incomprise, d'initier, d'augmenter, ou à l'inverse d'inhiber la défense immunitaire. Ces cellules NKT ont démontré qu'elles jouent un rôle important dans la défense contre les tumeurs et particulièrement dans le foie des souris. Nous avons étudié les cellules NKT de patients atteints d'une tumeur dans le foie, afin de comprendre pourquoi elles ne sont pas assez protectrice chez l'homme. Les lymphocytes NKT peuvent être sous-divisés en 3 populations: Les CD4, les DN (CD4-/CD8-) et les CD8. Ces 3 classes de NKT peuvent produire différents signaux chimiques appelés cytokines. Contrairement aux cellules NKT DN ou CDS, seules les cellules NKT CD4 sont capables de produire des cytokines qui sont défavorables pour la défense anti-tumorale. Par ailleurs nous avons trouvé que les cellules NKT CD4 tuent moins bien les cellules cancéreuses que les cellules NKT DN ou CD8. L'analyse des cellules NKT, fraîchement extraites du sang, du foie et de la tumeur de patients a révélé que les cellules NKT CD4 sont progressivement enrichies du sang vers le foie et la tumeur. La large prédominance des NKT CD4 à l'intérieur des tumeurs suggère que, chez l'homme, ces cellules sont inappropriées pour la lutte anti-tumorale. Par ailleurs, la plupart des cellules NKT de patients n'étaient pas capables de produire des cytokines après stimulation avec un antigène. Cela explique également pourquoi ces cellules ne protègent pas contre les tumeurs dans le foie.

Mechanisms of B cell survival induced by BAFF, APRIL and their receptors

RESUME : BAFF est un membre de 1a famille du TNF qui contrôle l'homéostasie des lymphocytes B. BAFF lie les récepteurs TACI, BCMA et BAFF-R sur les cellules B, tandis qu'APRIL, son proche homologue, lie seulement TACI et BCMA. BAFF et APRIL sont des protéines transmembranaires pouvant -être relâchées sous forme de cytokines trimériques solubles suite à un clivage protéolytique. Le BAFF soluble peut s'assembler en 60-mère. Les rôles physiologiques des BAFF membranaires et solubles sont inconnnus. Nous avons étudié la capacité de diverses formes de BAFF et APRIL à activer différents récepteurs. BAFF-R répond à toutes les formes dé BAFF, tandis que TACI nécessite du BAFF ou de l'APRIL membranaire ou oligomérisé pour être activé et pour transmettre des signaux de survie dans les lymphocytes B primaires. TACI ne répond pas aux ligands trimériques bien qu'il puisse les lier. TACI est essentiel pour la réponse humorale aux antigènes présentant des épitoges répétitifs, une réponse qui est indépendante des lymphocytes T (réponse TI-2). Des souris exprimant moins de BAFF ont un pourcentage modérément réduit de lymphocytes B et leur réponse TI-2 est atténuée. Par contre, des souris qui n'expriment que du BAFF membranaire ont encore moins de cellules B mais répondent efficacement aux antigènes TI-2. Ces résultats suggèrent que le BAFF soluble est impliqué dans le maintien de la population des lymphocytes B, alors que le BAFF membranaire peut activer TACI lors d'are réponse TI-2. Le BAFF 60-mère est un autre activateur potentiel de TACI in vivo. Le BAFF 60-mère existe dans des surnageants de cellules productrices de BAFF mais n'est pas détecté dans le plasma de souris saines, même lorsqu'elles présentent des niveaux élevés de BAFF. BAFF 60-mère est néanmoins présent dans le plasma de souris transgéniques pour BAFF et de souris déficientes en TACI. Comme ces deux lignées présentent des signes d'autoimmunité, ces résultats suggèrent que la présence de BAFF 60-mère pourrait être liée à des conditions pathologiques. Summary : The TNF family ligand BAFF is essential for B cell homeostasis. BAFF binds to the receptors TACI, BCMA and BAFF-R on B cells, whereas its close homolog APRIL binds to TACI and BCMA only. BAFF and APRIL are transmembrane proteins, which can be proteolytically processed to release trimeric soluble cytokines. Soluble BAFF 3-mer can further assemble in a 60-mer. The physiological roles of membrane-bound and soluble BAFF are unknown. We studied the ability of various forms of BAFF and APRIL to signal through different receptors. BAFF-R responded to all forms of BAFF, but TACI required membrane-bound, cross-licked or oligomeric BAFF or APRIL in order to transmit productive signals in primary B cells. TACI was unresponsive to trimeric ligands, although it could bind them. TACI is essential for T-cell independent antibody responses to antigens with repetitive epitopes (TI-2 responses). Mice expressing lower than normal levels of BAFF displayed a moderate B cell reduction and impaired TI-2 responses, whereas mice expressing membrane-bound BAFF displayed severe B cell reduction, but unimpaired TI-2 responses. These results suggest that processed BAFF is involved in the maintenance of the B cell pool and that membrane-bound BAFF can activate TACI during T-cell independent humoral responses. BAFF 60-mer is another potential activator of TACI in vivo. BAFF 60-mer was detected in the supernatant of BAFF-producing cells, but not in the plasma of healthy mice with either norma1 or elevated BAFF levels. It was however present in sera of BAFF transgenic mice and TACI-/- mice, both of which suffer from autoimmunity, suggesting that GAFF 60-mer may be linked to pathogenic conditions.